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Die
Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für zwei relativ zueinander bewegbare
Bauteile, insbesondere für
einen in einem Zylinderraum bewegbaren Kolben oder eine Kolbenstange,
aufweisend zwei oder mehr bewegte Dichtungen.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Arbeitsmaschine beliebiger Art.
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Gattungsgemäße Dichtungssysteme
werden beispielsweise bei Wasserstoff-Verdichtern als hermetische Abdichtung
der Kolbenstange verwendet.
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Unter
dem Begriff "Bewegte
Dichtung" seien nachfolgend
alle dem Fachmann bekannten Dichtungen zu verstehen, wie sie beispielsweise
bei Kolben, Kolbenstangen, etc. zur Anwendung kommen.
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Alle
bisher bekannten Dichtungen unterliegen einem mehr oder weniger
großen
Verschleiß. Dies
hat zur Folge, dass die Dichtungen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen. Oftmals
erfordert der Austausch einer Dichtung eine zeitintensive, komplizierte
und damit auch teure Wartungsarbeiten. Verbrauchte Dichtungen können bisher
nur entsorgt, nicht jedoch aufbereitet werden.
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Die 1 zeigt in einer schematisierten,
seitlichen Schnittdarstellung eine Kolbenstangendurchführung Z,
wie sie beispielsweise bei Wasserstoff-Verdichtern erforderlich
ist. Diese Kolbenstangendurchführung
Z dient der Führung
einer Kolbenstange K. Hierbei befinde sich der Gasraum des Verdichters
oberhalb der Kolbenstange K und der Verdichter-Außenraum
unterhalb. Dargestellt ist ferner ein zum Stand der Technik zählendes
Dichtungssystem, bestehend aus drei, in der Kolbenstangendurchführung Z
angeordneten Dichtungen A, B und C, wobei als Dichtungen A, B und
C alle bekannten Dichtungstypen in beliebiger Kombination zum Einsatz kommen
können.
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Mittels
der ersten Dichtung A wird eine Abdichtung zu dem Gasraum, der sich
oberhalb des Kolbens K befindet, sichergestellt. Wird diese Dichtung
A undicht und gelangt gasförmiges
Medium in den Raum zwischen den Dichtungen A und B, wird das gasförmige Medium über die
Leitung 1 aus diesem Raum entfernt und der Saugseite des Verdichters
zugeführt.
Wird auch die zweite Dichtung B undicht und tritt das gasförmige Medium
in den Zwischenraum zwischen der zweiten und der dritten Dichtung
B bzw. C ein, so kann das gasförmige
Medium über
die Leitung 2 aus diesem Zwischenraum abgezogen und einem Kaminsystem
zugeführt
werden. Ein derartiges Kaminsystem ist immer dann vorzusehen, wenn
ein Gasaustritt in die Verdichterumgebung – beispielsweise um zu verhindern,
dass es zur Bildung eines explosiven Gasgemisches kommt – vermieden
werden soll bzw. muss.
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Mittels
der dritten Sicherung C wird verhindert, dass das zu verdichtende
Medium aus dem Verdichtungsraum ausströmen kann. Da keine der drei vorgenannten
Dichtungen auf Dauer vollkommen (gas)dicht ist, kann ein Ausströmen und
damit Verlust von verdichtetem Medium nicht verhindert werden.
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Kommt
ein wie in der 1 dargestelltes Dichtungssystem
beispielsweise bei einem Wasserstoff-Verdichter zur Anwendung, müssen bisher
explosionsgeschützte
und dadurch kostenintensivere Betriebsmittel und Bauteile verwendet
werden, da um den Verdichter herum jederzeit die Gefahr des Austritts
von Wasserstoff besteht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Dichtungssystem
für zwei
relativ zueinander bewegbare Bauteile, insbesondere für einen
in einem Zylinderraum bewegbaren Kolben oder eine Kolbenstange,
anzugeben, das die vorgenannten Nachteile verweigert und eine sichere
und hermetische Dichtungsmöglichkeit
schafft.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Dichtungssystem vorgeschlagen, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass zwischen wenigstens zwei der bewegten Dichtungen
eine ionische Flüssigkeit
angeordnet ist.
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Hierbei
sind die bewegten Dichtungen, zwischen denen die ionische Flüssigkeit
angeordnet ist, entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dichtungssystems
vorzugsweise als Öldichtungen,
Gasdichtungen oder Kombinationen von Öl- und Gasdichtungen ausgebildet.
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Sofern
zwei oder mehr bewegte Dichtungen vorgesehen sind, kann eine ionische
Flüssigkeit
angeordnet sein a) ausschließlich
zwischen zwei benachbarten Dichtungen, b) zwischen allen Dichtungen
oder c) – vier
oder mehr Dichtungen vorausgesetzt – zwischen mehreren benachbarten
Dichtungen, wobei jedoch flüssigkeitsfreie
Dichtungszwischenräume
verbleiben.
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Ionische
Flüssigkeiten
sind niederschmelzende, organische Salze mit Schmelzpunkten zwischen
100 und –90°C, wobei
die meisten der bekannten ionischen Flüssigkeiten bereits bei Raumtemperatur
in flüssiger
Form vorliegen. Im Gegensatz zu herkömmlichen, molekularen Flüssigkeiten
sind ionische Flüssigkeiten
zur Gänze
ionisch und zeigen deshalb neue und ungewöhnliche Eigenschaften. Ionische
Flüssigkeiten
sind durch die Variation der Struktur von Anion und/oder Kation
sowie durch die Variation von deren Kombinationen in ihren Eigenschaften
an gegebene technische Problemstellungen vergleichsweise gut anpassbar.
Aus diesem Grund werden sie oftmals auch als so genannte "Designer Solvents" bezeichnet. Bei
herkömmlichen,
molekularen Flüssigkeiten
ist hingegen lediglich eine Variation der Struktur möglich.
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Im
Gegensatz zu konventionellen, molekularen Flüssigkeiten haben ionische Flüssigkeiten
darüber
hinaus den Vorteil, dass sie keinen messbaren Dampfdruck besitzen.
Dies bedeutet, dass sie – solange
ihre Zersetzungstemperatur nicht erreicht wird – selbst im Hochvakuum nicht
in geringsten Spuren verdampfen. Daraus resultieren die Eigenschaften Unbrennbarkeit
und Umweltfreundlichkeit, da ionische Flüssigkeiten folglich nicht in
die Atmosphäre gelangen
können.
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Wie
bereits erwähnt,
liegen die Schmelzpunkte bekannter ionischer Flüssigkeiten definitionsgemäß unterhalb
von 100°C.
Der so genannte Liquidus-Bereich – dies ist der Bereich zwischen
Schmelzpunkt und thermischer Zersetzung – beträgt im Regelfall 400 °C oder mehr.
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Darüber hinaus
weisen ionische Flüssigkeiten
eine hohe thermische Stabilität
auf. Oftmals liegen ihre Zersetzungspunkte oberhalb von 400 °C. Die Dichte
und das Mischungsverhalten mit anderen Flüssigkeiten können bei
ionischen Flüssigkeiten durch
die Wahl der Ionen beeinflusst bzw. eingestellt werden. Ionische
Flüssigkeiten haben
des Weiteren den Vorteil, dass sie elektrisch leitend sind und dadurch
elektrische Aufladungen – die
ein Gefahrenpotential darstellen – verhindern können.
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Ionische
Flüssigkeiten
besitzen den Vorteil, dass ihre vollständige Abtrennung aus dem verdichteten
Medium mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand möglich ist.
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Eine
Verschleppung der ionischen Flüssigkeit
durch das verdichtete Medium ist nunmehr nicht mehr möglich, da
ionische Flüssigkeiten – wie vorstehend
erwähnt – keinen
Dampfdruck aufweisen.
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Des
Weiteren ist bei der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit
als Dichtungsmedium sichergestellt, dass sich das zu verdichtende
bzw. verdichtete Medium in der ionischen Flüssigkeit nicht löst.
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Die
gattungsgemäße Arbeitsmaschine
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem
aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Dichtungssystem sowie
weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in
der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Ebenso
wie die 1 zeigt auch die 2 eine seitliche,
schematisierte Schnittdarstellung durch eine Kolbenstangendurchführung Z,
wie sie beispielsweise bei Wasserstoff-Kryoverdichtern erforderlich
ist. Wiederum ist ein Dichtungssystem, bestehend aus drei Dichtungen
A, B und C, vorgesehen, wobei als Dichtungen A, B und C alle bekannten Dichtungstypen
in beliebiger Kombination zum Einsatz kommen können.
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Erfindungsgemäß ist in
dem Zwischenraum zwischen den Dichtungen B und C eine ionische Flüssigkeit
F als (zusätzliches)
Dichtungsmedium angeordnet.
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Mittels
dieser ionischen Flüssigkeit
wird nunmehr eine absolut zuverlässige
und langlebige Dichtungsbarriere geschaffen, die keinem bzw. nahezu keinem
Verschleiß unterliegt.
Selbst dann, wenn die bewegten Dichtungen B und C bereits so undicht geworden
sind, dass sie gasförmige
Medien passieren lassen, sind sie für die ionische Flüssigkeit
F noch ausreichend dicht.
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Die
Gefahr des Gasaustrittes bzw. die damit verbundenen Probleme werden
mittels des erfindungsgemäßen Dichtungssystemes
wesentlich reduziert.
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Während – wie auch
bei der in der 1 dargestellten Ausführung – weiterhin
gasförmiges
Medium über
die Leitung 1 aus dem Zwischenraum zwischen den Dichtungen A und
B entfernt und der Saugseite des Verdichters zugeführt wird,
kann auf das in der 1 beschriebene Kaminsystem und
damit auf die mit dem Zwischenraum zwischen den Dichtungen B und
C verbundene Leitung 2 verzichtet werden.
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Wie
bereits erwähnt,
ist es ausreichend, wenn die ionische Flüssigkeit F zwischen zwei sog. Öldichtungen
B und C angeordnet ist. Öldichtungen sind
wesentlich wartungsärmer
und langlebiger als herkömmliche
Dichtungen, wie sie für
die Abdichtung eines in einem Zylinderraum bewegbaren Kolbens verwendet
werden.
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Die
Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als
Dichtungsmedium hat darüber
hinaus den Vorteil, dass ein einfaches Detektieren eines Lecks ermöglicht wird,
da ionische Flüssigkeiten
sichtbar sind. Hilfsmittel, wie Lecksuchsprays, Gasdetektoren, etc., sind
daher nicht mehr erforderlich.
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Die
Erfindung schafft somit ein Dichtungssystem für zwei relativ zueinander bewegbare
Bauteile, insbesondere für
einen in einem Zylinderraum bewegbaren Kolben oder eine Kolbenstange,
aufweisend zwei oder mehr bewegte Dichtungen, das verglichen mit
herkömmlichen
Dichtungssystemen wesentlich wartungsärmer und langlebiger ist.
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Von
Vorteil ist insbesondere, dass selbst dann, wenn die verwendeten
Dichtungen bereits gasundicht werden sollten, ein Austritt der ionischen Flüssigkeit
zunächst
nicht erfolgt. Selbst dann, wenn ein Austritt der ionischen Flüssigkeit
erfolgt, ist dies unkritisch, da das erfindungsgemäße Dichtungssystem
erst bei einem vollständigen
Verlust der ionischen Flüssigkeit
undicht wird.
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Es
sei nochmals betont, dass das erfindungsgemäße Dichtungssystem nicht nur
bei Kolbenstangendurchführungen,
wie sie in den 1 und 2 dargestellt
sind, zur Anwendung kommen kann, sondern grundsätzlich immer dann, wenn es gilt,
ein Dichtungssystem für
zwei relativ zueinander bewegbare Bauteile zu schaffen.